[원리사전] 태양에너지의 원리

[hanabank]

태양은 지구에 사는 생명체에게 필요한 에너지를 제공하는 근원이다. 땅 속이나 깊은 심해에 사는 소수 생명체를 제외하고 지표 근처에 사는 대부분의 생명체는 태양에너지를 이용해서 살아간다. 식물은 광합성 과정을 통해서 태양에너지를 다른 형태의 에너지인 영양소로 바꾸어 사용하며 뿌리나 줄기 잎, 그리고 열매 등에 저장하기도 한다. 그런 식물을 초식동물이 먹고 육식동물은 그 초식동물을 먹이로 잡아먹고 살아가므로 결국 모든 생물들은 태양에너지를 먹고 사는 것이다.

광합성과 먹이사슬

태양의 나이는 약 50억 년

태양은 약 1000조 개의 핵폭탄에 해당하는 에너지를 발산

지금 태양의 나이가 대략 50억 년 정도인데 총 수명이 100억 년 정도 될 것으로 추정되므로 사람과 비교하면 인생의 반 정도를 산 젊은 시절을 보내고 있는 별이다. 태양은 현재 초당 약 3.9×10²⁸J에 해당하는 에너지를 생산하는데 이는 핵폭탄 약 천조(10¹⁵)개에 해당하는 에너지이다. 만약 이런 엄청난 에너지를 내는 태양이 어느 날 빛을 잃는다는 것은 상상만 해도 끔찍하지만 만약 그런 일이 일어난다면 지구의 모든 생명체는 멸종하고 말 것이다. 그러나 약 50억 년 후에는 그런 일이 반드시 일어나게 된다. 그때 태양은 빛을 잃고 수명을 다해 죽은 별이 될 것이기 때문이다. 태양은 태양계의 모든 천체들 중 스스로 빛과 열을 만들어내는 유일한 별(항성)이다. 지구를 비롯한 나머지 행성들은 우리가 볼 때 빛을 내며 밤하늘에서 빛나고는 있으나 그 빛은 태양빛을 받아 반사시킨 것으로서 본질은 태양빛이다. 태양처럼 스스로 에너지를 생산해서 빛과 열을 만들어내는 천체들을 별이라 하고 지구처럼 그 별에 붙들려서 별 주변을 도는 천체는 행성이라고 한다. 그렇다면 태양은 어떻게 만들어졌으며 어떻게 100억 년이란 긴 세월 동안 뜨거운 열과 빛을 만들어낼 수 있는 것일까?

약 50억 년 전 우리은하의 귀퉁이인 나선팔의 한 구석에는 그전에 살았던 어떤 별이 폭발한 잔해이자 가스덩어리로 이루어진 성운이 존재했을 것이다. 이 성운은 주로 수소로 이루어져 있었으며 더불어 현재 태양계를 구성하고 있는 물질들인 다양한 원소들로 구성되어 있었다. 그 성운은 중력에 의해 서서히 서로 뭉쳐지고 커졌으며 회전하기 시작했다. 이 성운이 수축하면서 낮아진 위치에너지 가 열에너지 로 바뀌어 내부의 온도는 점점 상승하여 수소가스 덩어리는 희미한 빛을 내기 시작했다. 이런 상태의 별을 원시성이라고 하는데 이 원시성의 온도가 약 1억(10⁸)도 가까이 되면 내부에서 수소핵융합반응이 일어나기 시작한다.

수소핵융합반응
가벼운 원소의 핵이 모여 무거운 원소의 핵이 된다

핵융합반응이란 가벼운 원소의 핵이 합쳐져 무거운 원소의 핵을 만드는 반응이다. 수소핵융합반응은 2개의 수소가 모여 하나의 헬륨으로 바뀌는 과정인데 2개의 수소의 원자량은 4.0312인데 반해 생성된 헬륨 1개의 원자량은 4.0026이다. 즉 2개의 수소의 원자량에 비해 1개의 헬륨의 원자량이 0.0286만큼 적어진 것인데 질량으로 바꾸어보면 5.02×10^-26g이 줄어든 것이다. 줄어든 이 물질은 어디로 갔을까? 줄어든 질량은 아인슈타인의 특수 상대성 이론 인 E = mc²에 의해 에너지로 전환된다. 즉 줄어든 질량에 빛의 속도의 제곱 값을 곱한 만큼의 에너지가 생성되는 것이다. 이 결과 태양을 비롯한 별들이 엄청난 열과 빛을 내는 에너지를 만들어내게 된다.

수소핵융합반응식 : H는 수소, He는 헬륨
Δm: 두개의 수소원자가 합쳐져 하나의 헬륨원자로 바뀔 때 줄어든 질량

 

현재 태양의 표면온도는 약 6,000K도이고 내부는 1,600만K도로 이 모든 에너지가 수소핵융합과정에 의해 만들어진다. 이렇게 발생하는 에너지를 핵에너지라고 하며 이런 원리를 이용하여 만든 무기가 바로 수소핵폭탄이다. 태양의 총질량의 10%가 수소핵융합 반응에 쓰인다면 태양에서 생성될 수 있는 총에너지는 약 1.2×10⁴⁴J로 태양이 현재와 같은 비율로 에너지를 방출한다면 태양의 수명은 약 100억 년 정도가 될 것이다. 별의 중심부에서 수소핵융합 반응으로 수소가 모두 헬륨으로 바뀌고 나면, 다음에는 더 높은 온도에서 4개의 헬륨 핵이 모여 1개의 탄소 핵을 만드는 헬륨핵융합 반응이 일어난다. 이어 헬륨 핵이 소진되면 탄소 핵이 남게 되고 철이 남을 때까지 여러 반응이 계속될 수 있다. 하지만 이 과정은 별의 질량에 따라 달라진다. 질량이 아주 큰 거대한 별은 수소, 헬륨, 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 규소, 철의 순서로 핵융합을 한다.

태양의 지름은 약 139만km로 지구지름의 109배, 부피는 지구의 130만 배 정도이며, 질량은 약 2×10³⁰kg으로 지구의 33만 배 정도이다. 태양은 지구에 비하면 어마어마하게 큰 것이지만 별들 중에서는 그리 큰 별에 속하지 않는다. 태양의 질량은 탄소를 만드는 반응까지만 가능한 정도의 양이므로 수소, 헬륨, 탄소의 순서에서 핵융합을 마칠 것이다. 그 결과 마지막 단계의 태양 중심부는 탄소로 가득 차게 될 것이다. 그래서 태양은 헬륨핵융합과정을 마치면 중심에 탄소층을 만들고 핵융합반응을 마칠 것으로 추정된다.

별로서의 태양의 일생
태양, 적색거성, 백색왜성, 흑색왜성으로의 진화

태양은 헬륨핵융합의 마지막 단계에서 급격히 팽창하여 금성궤도크기까지 커져 거대한 적색거성이 되며 별로서는 짧은 시간인 약 1천 년이라는 시간에 걸쳐 바깥부분의 물질을 모두 별 밖으로 뿜어내고 작아진다. 중심에 남은 태양은 지구 정도 크기의 탄소가 빽빽하게 들어찬 다이아몬드로 된 중심을 가진 백색왜성이 되어 점차 식어간다. 다이아몬드별이니 가서 조금 떼어오고 싶어 할지도 모르나 중력이 매우 크기 때문에 그 별에 도착하는 순간 종이장처럼 납작하게 줄어들고 말 것이니 다이아몬드에 대한 생각은 상상으로 그치는 것이 좋을 것이다. 백색왜성은 계속 식어서 밀도는 엄청나게 크지만 빛을 내지 못하는 흑색왜성이 되어 별로서의 일생을 마치게 된다. 태양의 마지막 단계에서 밖으로 분출한 물질은 새로운 성운이 되어 마치 우리가 지금 보고 있는 태양의 탄생처럼 또 다른 별이 새롭게 탄생할 수 있는 장소가 되어줄 것이다. 태양이 이런 과정을 거치는 동안 지구를 비롯한 행성들은 어떤 변화를 겪게 될까? 태양이 헬륨핵융합반응을 거치며 점점 뜨거워지고 그 결과 팽창하여 적색거성이 되면 행성들은 강한 태양열과 태양풍 때문에 표면의 많은 물질을 잃게 된다.

백색왜성의 모습 : 백색왜성의 표면온도는 35,500K이다. <출처: Wikipedia>

지구는 태양으로 끌려 들어갈 수도 있고 아니면 남더라도 바닷물을 비롯한 모든 물이 끓어서 우주공간으로 달아나 버릴 것이며 뜨거운 열에 의해 지구 표면도 매우 뜨거워질 것이다. 이런 과정을 거치는 동안, 설령 그때까지 지구에서 진화의 결과로 살고 있는 생명체가 있다고 하더라도 이 시기를 멸종하지 않고 넘길 수는 없을 것이다. 또한 만에 하나 살아남더라도 더 이상의 에너지원이 없으므로 결국은 멸종하게 될 것이다. 그러나 이것은 아득하게 먼 훗날의 이야기이므로 우리는 다행으로 여기고 현재를 열심히 사는 것이 최선일 뿐이다.

참고문헌: 서울과학교사모임, [묻고 답하는 과학톡톡카페],북멘토,2009; 과학교사모임, [과학선생님도 궁금한 101가지 이야기],북멘토,2010; 샤르탄 포스키트, [우주가 우왕좌왕],김혜원 옮김,김영사, 1999

1. 위치에너지

   위치에 따라 물체가 가지는 에너지 간의 차이를 의미하며 에너지 준위가 낮은 쪽으로 물체를 끌어당기는 형태의 힘, 즉 복원력이 작용할 때에 존재한다.

2. 열에너지

   열의 형태를 취한 에너지로 물체의 온도를 변화시키거나 상태변화를 일으키는 에너지이다.

3. 특수상대성이론

   알베르트 아인슈타인이 1905년 [움직이는 물체의 전기역학에 대하여]라는 제목의 논문으로 발표한 시공간에 대한 역학이론으로 E = mc²도 그 중의 한 부분이다.

글 홍제남 / 오류중학교 교사, 서울과학교사모임

서울과학교사 모임은 딱딱한 과학수업을 재미있게 풀기 위해 모인 수도권 지역 과학선생님들의 모임이다. 재미있는 과학 교육을 위해 [묻고 답하는 과학 톡톡 카페1,2], [숨은 과학] 등을 출간하였다.

그림 곽윤환 / 일러스트레이터

전남 진도 출생으로 홍익대학교 미술교육원에서 수묵화를 전공하고 만화, 일러스트 작가로 활동 중이다. 최근에는 동화, 교과서 삽화 등을 그리고 있으며 한국교육과정평가원의 삽화팀을 맡고 있다. http://blog.naver.com/redeye21c